Иванец В.Н., Бородулин Д.М. Процессы и аппараты химической технологии

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В.Н. Иванец, Д.М. Бородулин

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Для студентов вузов

КЕМЕРОВО 2006

УДК: 66.01(075)

ББК 35я7

Б 83

Рецензенты:

зав. кафедрой процессов, машин и аппаратов химических производств

Кузбасского государственного технического университета д.т.н., проф.

П.Т. Петрик;

зав. кафедрой коммерции Российского Государственного торгово-

экономического университета. Кемеровского института (филиал). к.т.н.

доц. Е.И. Харлампенков.

Рекомендовано редакционно-издательским советом

Кемеровского

технологического института

пищевой промышленности

Иванец В.Н., Бородулин Д.М.

Б 83 Процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие. –

/Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. –

Кемерово, 2006. – 172с.

ISBN

В учебном пособии рассмотрены основные понятия и классификация процес-

сов и аппаратов. Изложены основы теории моделирования процессов и аппаратов.

Разобраны вопросы прикладной гидравлики. Даются теоретические и практиче-

ские аспекты проведения гидромеханических, теплообменных, массообменных (в

том числе мембранных) процессов, а также показано их практическое применение

в химических отраслях промышленности.

УДК: 66.01(075)

ББК 35я7

ISBN

ВВЕДЕНИЕ

"Процессы и аппараты химической технологии" (ПАХТ) - наука о

принципах организации и расчета химико-технологических процессов, а также

проектирования технологической аппаратуры. Возникнув в конце прошлого ве-

ка, она является научной дисциплиной, которая играет громадную роль в раз-

личных современных технологиях химических производств. В курсе «Процес-

сы и аппараты химических технологий

» изучаются совокупность физических и

биохимических процессов и пути их осуществления в промышленном произ-

водстве различных продуктов в конкретных технико-экономических условиях.

Любой технологический процесс, несмотря на различие методов, пред-

ставляет собой ряд взаимосвязанных типовых технологических стадий, проте-

кающих в аппаратуре определённого класса. Однако высокие требования к ка-

честву продукции, эффективности

производства, снижению энерго- и материа-

лоемкости, охране окружающей среды определили специфику аппаратурно-

технологического оформления в различных отраслях народного хозяйства.

Процессы химической технологии в большинстве своём значительно

сложны и зачастую представляют собой сочетание гидродинамических, тепло-

вых, массообменных, биохимических и механических процессов.

Основная цель науки ПАХТ состоит в анализе элементарных технологиче-

ских приемов

и функционирования типичных аппаратов - в отдельности и в

различных сочетаниях. В качестве главных выделим здесь две задачи: а) изуче-

ние закономерностей и математическое описание технологических приемов и

их совокупностей, разработка расчетных методов перехода от процесса в лабо-

раторной установке к крупным промышленным аппаратам (часто говорят: "от

стекла к металлу"); б)

усовершенствование существующих и разработка новых

технологических приемов, создание методики их расчета.

Таким образом, курс ПАХТ является в значительной мере "синтетиче-

ской" наукой; здесь широко используются инструментарий Математики и зна-

ния из ряда областей Физики, Прикладной механики, Технической термодина-

мики, Физической химии (прежде всего термодинамики и кинетики) и других

дисциплин. В свою

очередь курс ПАХТ служит базой для ряда других наук,

использующих его методы и результаты при решении своих научных и инже-

нерных задач. В то же время ПАХТ нередко вторгаются в область некоторых

других наук, в чем-то пересекаясь с ними, исследуя проблемы, представляющие

совместный интерес. Курс ПАХТ призван дать студенту

достаточно широкие

сведения, позволяющие ему в дальнейшем самостоятельно ориентироваться в

конкретных технологических процессах — в их анализе, математическом опи-

сании и инженерном расчете, в подходах к конструированию аппаратуры.

1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ КУРСА ПАХТ

Почти каждая наука, в особенности связанная с последующим практиче-

ским использованием ее теоретических изысканий, проходит "собиратель-

ную" стадию, когда она оперирует разрозненными объектами и фактами.

Вплоть до конца XIX века технологи в построении промышленных про-

цессов ориентировались на знание отдельных фактов и правил — ПАХТ

нахо-

дились на описательном (собирательном) этапе, преобладающую роль играло

инженерное искусство в результате большой работы, проведенной отечествен-

ными и зарубежными учеными.

Так в 1897 году Д.И. Менделеев в книге "Основы фабрично-заводской

промышленности" впервые изложил принципы построения курса процессов и

аппаратов химических технологий и дал их классификацию. Эти идеи затем

были развиты А.К. Крупским, И.А. Тищенко и рядом .других ученых.

В России первый курс, посвященный процессам и аппаратам, появился в

1913 г. Это была книга проф. И.А. Тищенко "Основные процессы и аппараты

химической технологии". В дальнейшем вышли книги проф. А.Г. Касаткина,

А.Н. Плановского, Кафарова и т.

д. Из иностранных ученых, внесших заметный

вклад в создание и развитие курса процессы и аппараты, можно отметить

Льюиса, Уокера, Шервуда, Ричардсона и др.

1.1. Классификация основных процессов химических технологий

Химическая технология, наряду с химическими превращениями, исполь-

зует многочисленные явления и процессы нехимического характера, требую-

щие определенных способов организации и осуществляемые в соответствую-

щих аппаратах и технологических схемах. Протекание таких процессов в той

или иной мере связано с переносом какой-либо субстанции. Например, количе-

ства движения (импульса), теплоты, массы, а

иногда и нескольких субстанций

одновременно. Этот перенос характеризуется изменением технологического

процесса, в общем случае — во времени в рассматриваемой точке аппарата, а в

самом аппарате — от одной точки к другой.

В зависимости от преобладания переноса той или иной субстанции в кур-

се ПАХТ выделяют и изучают следующие группы процессов:

— гидромеханические,

где основные явления связаны с переносом импульса

(количества движения) в жидкостных и газовых потоках, реже – в системах с

твердыми телами. К этой группе примыкают механические процессы, бази-

рующиеся в основном на законах механики твердого тела;

— тепловые, где наблюдаются явления, связанные с различными формами

переноса теплоты в области умеренных, низких

или высоких температур. При

этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса, по-

скольку он сопутствует переносу теплоты; пновонв

— массообменные (диффузионные), куда относят многочисленные процессы,

связанные с переносом вещества. При этом обычно приходится учитывать и за-

кономерности переноса импульса, а довольно часто — и теплоты. За последние

годы массообменные процессы пополнились новой весьма важной группой

мембранных процессов.

—

химические и биохимические процессы – это процессы, связанные с изме-

нением химического состава и свойств вещества, скорость протекания которых

определяется законами химической кинетики.

По способу организации процессы химической технологии делятся на периоди-

ческие и непрерывные.

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через оп-

ределенные промежутки времени загружаются исходные материалы; и после их

соответствующей переработки (

например, проведения химической реакции)

происходит выгрузка конечного продукта. По окончании разгрузки аппарата и

его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодиче-

ский процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте

(в одном аппарате), но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. По-

ступление исходных

материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов

производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный про-

цесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но ра-

зобщены в пространстве, т.е. осуществляются в разных аппаратах или в раз-

личных частях одного аппарата.

Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непре-

рывные процессы

, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо

периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекает непре-

рывно.

Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с пе-

риодическими следующие:

1. нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т.е. отсутствуют затраты

времени на загрузку аппарата исходными материалами и выгрузку из него го-

товой продукции;

2. более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной

механизации;

3. большая компактность оборудования, что сокращает капзатраты и эксплуа-

тационные расходы;

4. более полное использование подводимого (отводимого) тепла за счет отсут-

ствия перерывов в работе аппаратов.

Благодаря указанным достоинствам использование непрерывных процес-

сов увеличивает производительность аппаратуры, уменьшает количество об-

служивающего персонала

, улучшает условия труда и повышает качество ко-

нечной продукции.

Периодические процессы сохраняют свое значение главным образом в

производствах относительно небольшого масштаба с разнообразным ассорти-

ментом продукции, где их применение позволяет достичь большей гибкости

оборудования при меньших капитальных затратах.

Непрерывные процессы отличаются от периодических и по распределе-

нию времени пребывания частиц среды в аппарате. В периодически действую-

щем аппарате все частицы среды находятся одинаковое время, а в неп-

рерывнодействующем их времена пребывания могут значительно различаться.

2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ПАХТ

Содержание и последовательность расчетов будут следующими. Исход-

ным этапом является расчет и анализ статики процесса, т.е. рассмотрение дан-

ных о равновесии, на основе которых определяют направление протекания

возможные пределы осуществления процесса. Пользуясь этими данными, нахо-

дят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления

его движущей силы. Затем составляются материальные и энергетические ба-

лансы, исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий этап

представляет собой расчет кинетики процесса (там, где возможно), определение

скорости его протекания. Зная скорость

и величину движущей силы (при вы-

бранном оптимальном режиме работы аппарата) находят его рабочую поверх-

ность (объем), а затем определяют основные размеры аппарата.

2.1. Материальный и энергетический балансы

Среди разнообразных типов соотношений, встречающихся в химической

технологии, часто используются материальные и энергетические уравнения ба-

ланса.

Материальный баланс. По закону сохранения массы количество посту-

пающих веществ

∑

должно быть равно количеству веществ

∑

полу-

чаемых в результате проведения процесса, с учетом потерь

∑

(1)

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдель-

ных его стадий. Баланс может быть составлен для всех веществ, участвующих в

процессе, и лишь для одного из компонентов, если обрабатываемая смесь явля-

ется двух- или многокомпонентной. Баланс составляют за единицу времени

(например, за I час или I сутки) в

расчете на единицу количества исходных

или конечных продуктов.

На основе материального баланса определяют выход

продукта на едини-

цу затраченного сырья, под которым понимают выраженное в % отношение по-

лученного количества продукта к максимальному, т.е. теоретически возможно-

му.

Энергетический баланс

. Его составляют на основе закона сохранения

энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно

количеству выделившейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу.

При составлении энергетического баланса в качестве субстанции необхо-

димо выделить какой-либо определенный вид энергии, например тепловой, то-

гда энергетический баланс превращается в тепловой.

Количество

отводимого тепла

∑

складывается из тепла, удаляемого

с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем, а также тепловых

потерь

∑

(2)

При этом количество вводимого тепла:

∑

= Q

+ Q

где Q

– количество тепла, вводимое с исходными веществами;

– количество тепла, подводимого извне, например, с теплоносителем,

обогревающим аппарат;

– тепловой эффект физических и химических превращений.

В энергетическом балансе, кроме тепла, учитывается приход и расход

всех видов энергии, например, затраты механической энергии на перемешива-

ние жидкостей или сжатие и транспортирование газов.

На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды и

других теплоносителей, а по данным энергетического баланса - общий расход

энергии на осуществление процесса.

2.2. Законы переноса и принцип движущей силы

При рассмотрении процессов различной природы (гидродинамических,

тепло- и массообменных) было установлено, что их кинетические уравнения

аналогичны. Например, для тепловых:

= K

∆

⋅

= 1/R

∆

⋅

, (3)

где Q – количество тепла, Вт;

F – поверхность теплообмена, м

;

τ – время, сек;

t∆

– движущая сила процесса перехода тепла, град;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м

град;

R = 1/ К – сопротивление переходу тепла.

Таким образом, кинетические уравнения этих процессов могут быть при-

ведены к одному виду:

J = Х

R/1⋅

, (4)

где J – скорость протекания процесса;

Х – движущая сила процесса.

Следовательно, общий принцип интенсификации процессов: для уве-

личения скорости их протекания необходимо увеличить движущую силу и

уменьшить сопротивление. Понятие движущей силы является основным при

рассмотрении любого процесса. Она представляет собой некоторую разницу

потенциалов, характерную для каждого вида процессов.

Из

выражения (3) находят необходимую рабочую поверхность (объем)

аппарата по известным остальным величинам, а затем определяют его основ-

ные размеры.

2.3. Расчет аппаратов периодического и непрерывного действия

При проведении расчета аппарата периодического действия используют

следующую зависимость:

Ν⋅⋅

∆

⋅

, (5)

где V

– объем аппарата, м

;

V – заданная суточная производительность, м

/сутки;

∆

– период процесса, т.е. время от начала загрузки исходного сырья

данной партии до начала загрузки следующей партии;

– коэффициент заполнения аппарата, обычно выбирается в диапазоне

0,7… 0,8;

– число аппаратов.

При расчете аппарата непрерывного действия обычно задаются его объё-

мом или их количеством. Для приближенного расчета аппарата непрерывного

действия можно использовать следующее выражение

⋅

, (6)

где

- среднее время пребывания элементарного объема материала в аппарате,

обычно оно задано.

При проведении любого процесса всегда возникает возможность выбора

нескольких вариантов решения. Один из них будет наиболее целесообразным,

т.е. оптимальным.

В качестве критерия оптимизации

чаще всего выбирается минимум

времени и затрат на производство продукции. Оптимизация всегда сводится к

нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров,

противоположно влияющими на процесс.

2.4. Основы теории подобия процессов и аппаратов

Моделированием называется метод изучения реального или создаваемого

объекта (оригинала), при котором вместо него используется модель, а результа-

ты

распространяются на оригинал. Суть моделирования заключается в предска-

зании поведения оригинала в рабочих условиях производства по измеренным

параметрам модели. Методы моделирования основаны на подобии различных

объектов. Подобными называют процессы, математические описания которых,

представлены в обобщенных переменных, охватывающих группы сходных объ-

ектов либо явлений.

В курсе ПАХТ рассматривается и используется физическое

подобие

применительно к переносу различных субстанций для очень широкого круга

задач — от общетеоретических описаний до прикладных расчетных формул.

Два физических явления подобны, если в сходственных точках геометри-

чески подобных систем одноименные характеристики различаются только по-

стоянными коэффициентами (множителями подобия). Математические описа-

ния подобных систем идентичны.

Приведем определение физически подобных явлений

и проиллюстрируем

его на примере течения жидкостей в производственном трубопроводе (ориги-

нале) и в его уменьшенной модели.

№1 А

№2 A

Пусть имеются два геометрически подобных канала (рис. 1) — малого

(его обычно называют "модель") и большого ("оригинал") размеров; в этих ка-

налах текут жидкости с разными свойствами (плотность, вязкость, теплоем-

кость и т. п.). Выберем в малом (система 1) и большом (система 2) каналах две

пары сходственных точек А

и А

, В

и В

, причем для каждой пары характерно

свое геометрическое подобие типа r

= r

. Отношение r

= l

= ... = m

представляет собой множитель геометрического подобия, постоянный для

любой пары сходственных точек в рассматриваемых каналах. По определению

физического подобия как для пары точек А

и А

, так и для В

и В

(вообще —

для любой пары сходственных точек в модели и оригинале) характерны равен-

ства:

;

и т.д.,

причем m

– множители подобия, отличающиеся для разных характеристик, но

одинаковые в пределах одной из них для каждой пары сходственных точек.

Например, значения вязкостей

или скоростей w

и w

могут быть разны-

ми в сходственных точках модели и оригинала, но численные значения отно-

шений

или w

для всех пар сходственных точек (А

и А

, В

и В

и др.)

в модели и оригинале — одни и те же: т

, т

и т.д. При переходе от одной па-

ры сходственных точек к другой значения т

, т

... не изменяются. В этом

смысле каждый множитель подобия выступает в качестве масштабной характе-

ристики соответствующей физической величины.

Подобие потоков в оригинале и модели можно охарактеризовать также с

помощью инвариантов подобия,

т.е. в виде отношений сходственных величин

в пределах каждой системы. Так:

Рис.1. Подобные течения: модель (№1) и оригинал (№2).